Desarrollo de una aplicación para el cálculo de las propiedades de la mezcla amoniaco-agua

Development of a computer application for the calculation of the thermodynamic properties of the ammonia-water mixture

El diseño y la optimización de sistemas energéticos en la actualidad son de gran importancia. Algunos de estos sistemas emplean la mezcla amoniaco-agua como fluido de trabajo, por lo tanto, el cálculo de las propiedades termodinámicas se vuelve indispensable para su evaluación, diseño y optimización. En el presente trabajo se ha desarrollado una aplicación en Excel^TM empleando Visual Basic (VBA) a partir de una formulación basada en la energía de Gibbs de exceso, con la finalidad de simular diversos sistemas, como pueden ser de refrigeración, aire acondicionado, bombas de calor, cogeneración y ciclos de potencia, sin la necesidad de adquirir simuladores comerciales para tal propósito. Para validar dicho programa se han comparado los resultados con los datos arrojados por el software desarrollado por el National Institute of Standars and Technology (NIST) y datos experimentales reportados en literatura.

1. INTRODUCCIÓN

La mezcla amoniaco-agua (MAW) ha sido extensamente utilizada en diversos sistemas energéticos, principalmente en sistemas de refrigeración por absorción (SRA) y ciclos de potencia. A partir de la década de los setenta, el interés por estudiar más a fondo esta mezcla se intensificó debido a la denominada crisis energética que propició el incremento de los sistemas de ahorro de energía en la industria. La MAW ha tenido una implicación importante para el ahorro de energía, principalmente en el uso de bombas de calor o como SRA al aplicarse y, principalmente, al acoplarse a algunos equipos externos como lo han sido torres de destilación [1], el ciclo Kalina [2,3], sistemas de climatización y como medios de enfriamiento de aire para las turbinas de gas [4].

Aunque se han encontrado trabajos experimentales para la evaluación de sus propiedades, reportados en la literatura desde la segunda mitad del siglo XIX [5], la estimación de las propiedades termodinámicas y termo-físicas [6] ha sido complicada, ya que esta mezcla presenta un comportamiento altamente polar. Hay que mencionar que, a pesar de esto, es esta última característica la que la hace apta para los SRA.

A lo largo del estudio de esta mezcla se han propuesto numerosos métodos para la estimación de sus propiedades. Algunos de ellos muestran un acercamiento con deficiencias considerables, principalmente cuando se usan en los límites de la estimación del modelo o cuando la concentración de amoniaco en la mezcla es alta (x→1). Los análisis y diseño de los SRA, en su gran mayoría, aproximadamente en la primera mitad del siglo pasado se basaron en predicciones gráficas, sin embargo el intervalo de presiones no era tan amplio, pues se basaba en pocos datos experimentales y en deducciones teórico-empíricas para su determinación [7]. Para el año de 1957, el Institute of Gas Technology (IGT) [8] presentó un diagrama apoyado en el trabajo reportado por George Granger Brown and Associates, el cual fue utilizado hasta antes del trabajo reportado por [7], donde este último se enfocó en resolver el problema del desconocimiento de la concentración o cantidad de agua en el vapor a la salida del generador.